北京
在伊利诺伊州的一间实验室里，物理学家把一个反物质粒子关进了一座"看不见的墙"做成的陷阱，而且一关就是好几个月。他们想通过观察这个正电子，去碰一碰目前最好的物理数学模型的边界。
先说清楚这个粒子是什么。正电子是电子的反物质对应物，两者质量相同，电荷相反。但正电子和电子有个关键差别：正电子极其稀少，而且通常只存在一瞬间——只要它碰上宇宙里到处都是的电子，两者就会湮灭。正因为这样，正电子一直很难被研究。
现在，伊利诺伊州西北大学的杰拉尔德·加布里埃尔斯（Gerald Gabrielse）和同事找到了一种办法，把单个正电子困住，并让它持续存在数月之久。他们计划分析正电子被囚禁期间收集到的数据，精确测量这个反粒子的性质，进而去追问粒子物理标准模型里最大的问题之一。
整个捕获过程，按时间线还原是这样的：
- 研究人员先从一种放射性钠同位素中获取正电子——这种钠每次衰变就会放出一个正电子。
- 这样得到的正电子速度极快、难以控制，于是他们把钠放进一台特制冰箱，降低温度和能量，让反粒子慢下来。
- 接着让正电子穿过一块钨晶体，进一步减速。穿过晶体的过程中，一部分正电子湮灭了，另一部分则完好无损地穿了出来。
- 这些幸存的正电子被导入一间经过制冷、不含其他任何粒子的腔室。腔室里的电子元件产生电磁场，把单个进入的正电子约束住，这些电磁场就充当了困住粒子的"隐形墙"。
- 随后，研究人员把正电子推到它尽可能低的能态。加布里埃尔斯说，正是这一步让他们能把这种原本难以捉摸的反粒子一关就是几个月。他们还能用可控的微波脉冲，把它推到次低的能态。
"站在我的实验室里，看着一个正电子在最低能态之间跃迁——我们称之为'量子跃迁'——真的很带劲，"他说，"还能比这更基本、更漂亮吗？"
这件事有多难，同行给出了评价。日本科研机构理化学研究所（RIKEN）的斯特凡·乌尔默（Stefan Ulmer）说："困住一个反粒子极其困难。"难在哪？任何杂散粒子、一束光、哪怕极微小的振动，都可能扰动它；而且陷阱必须维持在只比可能达到的最低温度高出零点几度的水平。
克服这些实验难题、把正电子困住并控制住，回报可能相当可观。乌尔默说："这有潜力成为物理学中对一个基本常数最精确的测量之一。"
具体来说，加布里埃尔斯和同事想测量正电子的磁矩——一个量化它对磁场如何响应的数字。研究团队此前曾对电子的磁矩做出过史上最精确的测量，把这个数值和反粒子的对应数值一比，就能以前所未有的精度比较物质与反物质的性质。
标准模型预测，两者的磁矩应当完全相同。但恰恰是这个预测，暴露了这套理论一个明显的短板。问题在于：如果物质和反物质如此相像，那它们在宇宙诞生之初就该被等量制造出来，然后彻底湮灭，什么都不剩。"标准模型似乎与宇宙的一些基本特征不一致，或者至少严重不完整——比如，为什么宇宙会存在，"加布里埃尔斯说。
换句话说，如果能在电子和正电子之间找到差异，就可能暗示存在某种目前未知的机制，正是它造就了我们这个充满物质的宇宙。如果一切按计划推进，研究团队的目标是在一年之内拿到能为此提供线索的数据。
这项研究发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，DOI: 10.1103/gbkc-6nlj。
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